Используя причуды квантовой механики, учёные смогли создать кристалл способный реагировать на невероятно слабое электромагнитное поле. Возможно, что он сможет, в ближайшем будущем, определить частицы, гипотетической, чёрной материи, называемой аксионы.
Учёные создали квантовый кристалл, захватив 150 заряженных частиц бериллия или, другими словами ионов, используя систему электродов и магнитного поля. Благодаря этому, атомы четвертого элемента таблицы менделеева смогли преодолеть естественное отталкивание. Данный кристалл была создан при взаимодействии Института стандартов и технологий и Университета Колорадо. Руководитель проекта Анна Мария Рей.
Захваченные ионы с помощью электромагнитного поля и электродов самопроизвольно выстроились в двухслойную структуру толщиной равной человеческому волосу. Такая организация кристалла позволила ему вибрировать при появлении любого самого слабого внешнего воздействия. "Обычно, когда внешний источник воздействует на один из атомов он вибрирует один, но в полученном кристалле он не вибрирует индивидуально", - говорит Рей, - "Все атомы двигаются, как единое целое".
Таким образом кристалл бериллия, наталкивающийся на электромагнитное поле, может двигаться в ответ и это движение может быть приведено в точные значения силы поля. Известно, что измерение квантовых систем имеет свои пределы, о которых говорится в принципах неопределённости Гейзенберга. Согласно им, точное свойства частиц и позиция не могу быть, одновременно, известны с высокой точностью.
В этот раз, команде учёных удалось, благодаря новой структуре кристалла, преодолеть этот лимит, в искусственно созданных условиях, когда квантовой частицы неестественно связаны вместе. В данном случае учёные смогли связать ионы бериллия с их спинами. В итоге, полученная система, с совмещенным крошечными колебаниями и спинами, смогла предотвратить появление квантовых шумов.
Они протестировали систему на экстремально слабых электромагнитных волнах. Работа опубликована в журнале Science за 6 августа.
Полученные кристалл, на сегодняшний день, в 10 раз чувствительнее, к микроскопическим электромагнитным сигналом по сравнению с предыдущими квантовыми сенсорами. Команда надеется, что с увеличением количества ионов бериллия они смогут создать ещё более чувствительный детектор, способный найти аксионы. Ученые предполагают, что аксионы, это ультралегкие частицы чёрной материи с 1/1000000 или 1/1000000000 массы электрона. Считается, что они имеют способность иногда превращаться в фотоны, продуцируя во время превращения слабое электромагнитное поле. Таким образом, возникшие аксионы, проходя через, искусственно созданный, кристалл бериллия могут быть определённы.
Помимо этого, искусственный кристалл может применятся для детекции утечки электромагнитного поля в проводах и поиске дефектов материалов.